探索星空是人類永恒的夢想。在晴朗的夜晚，無論何時我們擡頭，都會看到滿天的星星。自古以來，星空以其無與倫比的浩瀚、深邃、美麗和神秘，引發了人類無數的遐想。美國著名科幻電視劇《星際迷航》有這樣壹段簡短卻意味深長的題字:星空，最後的邊疆。第壹次看這個電視劇的時候，我就被這個用磁性聲音念出來的題詞迷住了。
在古代，人類用肉眼探索星空，後來開始使用望遠鏡，但邁向星空的第壹步是在1957年。那壹年，人類發射的第壹艘飛船終於飛出了我們這顆藍色星球的大氣層。十二年後，人類在月球上留下了足跡。三年後，人類向外太陽系發射了先驅者10號深空探測器。1983年，先驅者10號飛出海王星軌道，成為人類發射的第壹艘飛出太陽系的航天器。
從第壹艘宇宙飛船發射至今，短短二十多年，齊奧爾科夫斯基“人類將首先小心翼翼地穿越大氣層，然後征服太陽周圍的整個空間”的預言成為現實，人類探索星空的步伐並不快。但是，與壹望無際的星空相比，這壹步還是太慢了。率先飛出太陽系的先驅者10號，現在正在寒冷寂靜的太空中滑翔。滿天的星星中，還要多少年才能飛到下壹顆星星？答案是兩百萬年！屆時，它將飛往距離我們68光年的金牛座。68光年的距離相對於地球上的任何尺度都是極其巨大的，但相對於3萬光年外的銀河系中心、220萬光年外的仙女座星雲、6000萬光年外的室女座星系團以及其他遙遠的天體來說，無疑是微不足道的。人類的好奇心是沒有邊界的，但即使人類飛船的速度快了許多倍，甚至接近物理速度的上限——光速，以星際空間的距離來衡量，仍然是極其緩慢的。
那麽，有什麽辦法可以讓飛船以某種方式變相突破速度上限，讓它在極短的時間內穿越那些幾乎無限的距離呢？科幻作家率先展開了想象的翅膀。1985年，康奈爾大學著名行星天文學家卡爾·薩根寫了壹本科幻小說，名叫《接觸》。薩根對探索地球以外的智慧生命有著濃厚的興趣。他作為科幻作家的壹次客串是為SETI項目籌集資金，尋找地球以外的智慧生命。他的小說後來被拍成電影，為他贏得了廣泛的知名度。
薩根在他的小說中講述了壹個感人的故事:壹位名叫埃莉的女科學家收到了來自其他星球的智慧生物發出的壹系列無線電信號。經過研究，她發現這壹系列信號包含了壹種構建特殊設備的方法，這種設備可以讓人類與信號的發送者見面。經過努力，艾莉和她的同事們成功建造了這臺設備，並通過這臺設備穿越了遙遠的星際空間，與其他星球上的智慧生物進行了第壹次接觸。
然而，艾莉和她的同事們是通過什麽方式，利用根據其他星球的智慧生物提供的方法建造的設備，讓旅行者穿越遙遠的星際空間的呢？這就是薩根需要大膽“幻想”的地方。他最初的想法是利用黑洞。但薩根畢竟不是壹個普通的科幻作家，他的科學背景讓他希望自己的科幻小說盡可能不與已知的物理定律相矛盾。於是他打電話給他的老朋友，加州理工學院的基普·s·索恩教授。索恩是引力理論方面的專家，薩根請他對自己的想法做壹個技術評估。經過思考和粗略計算，索恩很快告訴薩根，黑洞不能作為星際旅行的工具。他建議薩根使用蟲洞的概念。據我所知，這是蟲洞這個術語第壹次進入科幻小說。之後，各種科幻小說、電影、電視劇紛紛采用這個術語，蟲洞也逐漸成為科幻故事中的標準術語。這是科幻作家和物理學家之間壹點點交流的成果。
薩根和索恩的交流不僅給科幻小說帶來了壹個全新的名詞，也為物理學開辟了壹個新的研究領域。在物理學中，蟲洞的概念最早是由C.W. Miesner和J. A. Wheeler在1957年提出的，恰好是人類發射第壹艘航天器的同壹年。那麽蟲洞到底是什麽？為什麽會被科幻作家當成星際旅行的工具？我們用壹個簡單的例子來說明:眾所周知，在蘋果表面從壹點到另壹點需要走壹段弧線，但是如果飛蛾在這兩點之間吃了壹個蟲洞，它就可以通過蟲洞在這兩點之間走壹條直線，明顯比原來的弧線更近。將這種類比從二維的蘋果表面延伸到三維的物理空間，就是物理學家所說的蟲洞，蟲洞可以在兩點之間形成捷徑的特性，就是科幻作家喜歡蟲洞的原因。只要有合適的蟲洞，無論多遠，都有可能變得近在咫尺，星際旅行者將不再受制於太空的遙遠。在壹些科幻故事中，高度發達的文明世界利用蟲洞進行星際旅行，就像我們今天利用高速公路在城鎮之間旅行壹樣。在著名的美國科幻電影電視劇《星際之門》中，外星文明留在地球上的壹個叫做星際之門的裝置，可以和其他許多遙遠星球上的星際之門連接起來，幾乎可以瞬間把人和設備送到那些遙遠的星球上。蟲洞已經成為科幻小說中星際旅行者的天堂。
然而，Miesner和Wheeler提出的蟲洞極其微小，會在極短的時間內消失，因此它不能成為星際旅行的通道。薩根的小說出版後，索恩對蟲洞產生了興趣，他和他的學生邁克·莫裏斯開始對蟲洞進行深入研究。與米斯納和惠勒不同，索恩對可以用作星際旅行通道的蟲洞感興趣，這種蟲洞被稱為可穿越蟲洞。那麽什麽樣的蟲洞可以是可穿越的蟲洞呢？首要條件之壹是，它必須長期存在，不能在沒有等待星際旅行者穿越的情況下消失。所以能穿越的蟲洞首先要足夠穩定。蟲洞怎麽可能穩定存在？經過研究，索恩和莫裏斯發現了壹個不好的結果，那就是蟲洞裏壹定有某種帶負能量的奇怪物質！為什麽會有這樣的結論？那是因為物質進入蟲洞時向內收斂，離開蟲洞時卻向外飛。這個從匯聚到散射的過程，意味著蟲洞深處存在某種排斥。因為普通物質的引力只能產生會聚，只有負能量物質才能產生這種排斥。所以，為了讓蟲洞成為星際旅行的通道，必須有負能量物質。索恩和莫裏斯的這個結果是人們研究可穿越蟲洞的起點。
為什麽索恩和莫裏斯的結果不太好？因為人們從未在宏觀世界中觀察到任何具有負能量的物質。事實上，在物理學中，人們通常將真空的能量設置為零。所謂真空意味著什麽都沒有，負能量意味著比什麽都沒有的真空“更少”的物質，這在經典物理學中幾乎是矛盾的。
但是很多經典物理學做不到的事情，隨著二十世紀初量子理論的發展成為可能。好在負能量的存在就是壹個例子。在量子論中，真空不再是虛無，它有著極其復雜的結構，每時每刻都有大量虛粒子對產生和湮滅。1948年，荷蘭物理學家亨德裏克·卡西米爾(Hendrik Casimir)研究了真空中兩個平行導體板之間的這種虛粒子態，發現它們的能量比普通真空要小，這說明這兩個平行導體板之間存在負的能量密度！在此基礎上，他發現這樣壹對平行導體板之間存在微弱的相互作用。他的發現被稱為克什米爾效應。近半個世紀後的1997年，物理學家實驗證實了這種弱相互作用，間接為負能量的存在提供了證據。除了克什米爾效應，上世紀七八十年代以來，物理學家在其他研究領域也發現了負能量的存在。
所以各種令人振奮的研究都表明，宇宙中似乎存在負能量物質。可惜目前已知的這些負能量物質都是量子效應產生的，所以數量極少。以克什米爾效應為例。如果平行板之間的距離是壹米，那麽它產生的負能量的密度相當於每十億立方米中只有壹個基本粒子(負質量)！而且間距越大，負能量密度越小。其他量子效應產生的負能量密度也差不多。所以在任何宏觀尺度上，量子效應產生的負能量都是可以忽略不計的。
另壹方面，物理學家也對維持壹個蟲洞所需的負能量物質數量進行了估算，發現蟲洞半徑越大，所需的負能量物質越多。具體來說，為了維持壹個半徑壹公裏的蟲洞，需要的負能量物質的量相當於整個太陽系的質量。
如果說負能量物質的存在為蟲洞星際旅行帶來了壹絲希望，那麽這些更具體的研究成果卻給這種希望潑了壹盆冷水。因為壹方面，目前已知的負能量物質的所有效應都是量子效應，產生的負能量物質即使以微觀尺度來衡量也是極其微小的。另壹方面，宏觀意義上維持任何蟲洞所需的負能量物質都是天文數字！兩者之間的巨大差距無疑給建造蟲洞的前景蒙上了壹層沈重的陰影。雖然數字看起來令人沮喪，但不要忘記，當我們談論蟲洞時，我們正在談論壹個科幻主題。既然說的是科幻，那就樂觀壹點吧。就算我們自己沒有能力建造蟲洞，宇宙中也可能有其他文明生物有能力建造蟲洞，就像星際之門的故事壹樣。就算沒人能造出蟲洞，浩瀚宇宙的某個角落也可能存在天然蟲洞。所以我們假設在未來的某壹天，人類真的建造或者發現了壹個半徑壹公裏的蟲洞。
我們能用它進行星際旅行嗎？
乍壹看，壹個半徑壹公裏的蟲洞似乎足以滿足星際旅行的要求，因為這樣的半徑足以讓相當規模的星際飛船通過。看過科幻電影的人，可能對星際飛船穿越蟲洞的特殊處理印象深刻。從屏幕上看，飛船周圍是由星光和來自遙遠天空的輻射組成的無限美麗的視錯覺。好像飛船正在穿越壹條狹窄的時空通道。
但現實遠比這種幻想復雜。事實上，為了讓飛船和乘員安全通過蟲洞，幾何半徑的大小並不是星際旅行者面臨的主要問題。根據廣義相對論，物質在通過蟲洞等高度彎曲的區域時會遇到壹個非常棘手的問題，那就是張力。這是由於引力場在空間各部分的分布不均勻造成的，其常見的表現形式就是海洋中的潮汐。由於這種張力，當星際飛船接近蟲洞時，飛船上的乘員會逐漸感覺到自己的身體在沿著蟲洞的方向被拉伸，而在垂直於蟲洞的方向被擠壓。這種感覺是蟲洞不均勻的引力場造成的。起初，這種緊張感只會讓人稍感不適，但隨著飛船接近蟲洞，這種緊張感會迅速增加，每縮小十分之壹的距離，這種緊張感就會增加1000倍左右。當飛船距離蟲洞1000公裏時，這種張力已經超過了人體所能承受的極限。如果飛船到這個時候還不迅速返航，所有的船員都會死在致命的張力下。再飛遠壹點，飛船本身就會在可怕的張力下解體，最終，張力的瘋狂增加會把飛船和它的船員撕成壹長串亞原子粒子。從蟲洞的另壹端飛出的，就是這壹長串早就分不清來源的亞原子粒子！
這就是星際探險者試圖穿越半徑壹公裏的蟲洞會發生的事情。半徑壹公裏的蟲洞不是旅行者的天堂，而是探險者的地獄。
因此，蟲洞要成為可穿越的蟲洞，壹個顯而易見的進壹步要求是，飛船及其乘員在穿越蟲洞時受到的張力必須非常小。計算表明，只有蟲洞半徑極大時，才能滿足這壹要求。那麽蟲洞要有多大才能作為星際旅行的通道呢？計算表明，壹個半徑不到壹光年的蟲洞對飛船及其乘員產生的張力足以摧毀物質的原子結構，這超出了任何固體飛船的承受能力，更不用說脆弱的飛船乘員了。因此，為了讓蟲洞成為可穿越的蟲洞，它的半徑必須遠大於壹光年。
壹光年是什麽概念？相當於整個太陽系半徑的1500多倍(以冥王星軌道為界)。如果以地球的線性度來衡量，大約是地球直徑的7億倍。所以科幻電影《星際之門》絕對不可能把蟲洞的出入口建在地球和其他星球上，因為入口如此狹窄的蟲洞不僅能讓人安全通過，還能在瞬間把周圍的壹切撕成亞原子粒子。在薩根的故事中，有人反對艾莉和她的同事將其他星球的智慧生物提供的藍圖付諸實踐，因為他們擔心這可能是壹個用來毀滅地球的裝置。他們的擔心其實很有道理。另壹方面，雖然壹光年以日常距離衡量是壹個巨大的線性，但以星際距離衡量並不驚人。我們銀河系的線性度大約是它的10萬倍。如果銀河系和220萬光年外的仙女座星雲之間存在蟲洞，那麽從線性度來說，它只是壹個非常小的通道。那麽我們周圍的星際空間真的會有這樣的通道，只是我們還沒有發現而已嗎？答案是否定的，因為壹個半徑為壹光年的蟲洞真正神奇的不是它的線性度，而是維持它所需的負能量物質的數量。計算表明，維持這樣壹個蟲洞所需的負能量物質的量，相當於整個星系所有發光恒星總質量的100倍！這種蟲洞產生的引力效應將遠遠大於整個星系。如果我們附近的星際空間中存在這樣的蟲洞，那麽數百萬光年周圍的物質運動將受到顯著影響，我們已經在其引力場中發現了它們的蹤跡。
因此，不僅不可能在地球上建立可穿越的蟲洞，而且在我們附近的整個星際空間中也幾乎不可能有可穿越的蟲洞而不被發現。
這樣我們只有壹種可能性可以討論，那就是宇宙的其他遙遠角落有沒有可能存在蟲洞？我們可能永遠也不會知道這個問題的確切結果，因為宇宙太大了。但維持可觀測蟲洞所需的負能量物質數量幾乎是不可能的，這幾乎為我們提供了答案。迄今為止，人類從未在任何宏觀尺度上發現負能量物質，所有產生負能量物質的實驗方法都是利用弱量子效應。為了維持壹個蟲洞，必須有某種機制來收集量子效應產生的微弱負能量物質，並達到足夠的數量。但是負能量物質能聚集在壹起嗎？近年來，物理學家在這方面做了壹些理論研究，結果表明量子效應產生的負能量物質是不可能無限收斂的。負能量物質聚集的越多，它能存在的時間就越短。所以壹個蟲洞沒有負能量物質是不穩定的，負能量物質太多也會不穩定！那麽什麽樣的蟲洞才能穩定呢？初步計算表明，只有線性度比原子小二十個數量級的蟲洞才是穩定的！
這壹系列結果無疑很冷。如果這些結果成立，穿越蟲洞的可能性就基本被排除了，那些美好的科幻故事都將成為海市蜃樓。然而，幸運(或不幸)的是，上述許多結果都是基於相對先進的——因此也是相對不成熟的——物理理論。未來的研究是否會從根本上動搖這些理論，徹底推翻我們上面介紹的很多結果，還是未知數。退壹步說，即使那些物理理論基本成立，上面描述的很多結果也只是那些理論推導出來的近似結果或者特例。例如，許多結果假設蟲洞是球對稱的，但實際上蟲洞可以是其他形狀。不同形狀的蟲洞所需要的負能量物質的數量和產生的張力的大小是不同的。這些都說明，即使那些物理理論真的成立，我們上面說的結論也不壹定是完全打開它的方式是利用物質間相互吸引的原理，吸引兩個時空中蟲洞的正負能量來打開它。